CN105187009A

CN105187009A - 太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统

Info

Publication number: CN105187009A
Application number: CN201510452457.0A
Authority: CN
Inventors: 张于峰; 张彦
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统，包括太阳能光伏板，设置于太阳能光伏板下方的太阳能光伏板冷却换热器,太阳能光伏板冷却换热器依次与三通换向阀、工质膨胀机、工质储气罐、工质冷凝器、工质泵、电子膨胀阀形成循环回路，太阳能光伏板冷却换热器上设有工质温度计，工质储气罐中设有热水换热器，热水换热器设有热水温度计，工质温度计、热水温度计和电子膨胀阀分别与主控机连接。本发明提出的太阳能光伏发电系统的冷却热发电/供热系统，在降低太阳能光电系统工作温度的同时，可继续回收冷却热量用于发电和供热，并可利用时段和季节的影响，达到全年运行的模式，使太阳能全年的利用率达到最大化。

Description

太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统

技术领域

本发明涉及一种冷却/发电供热系统，具体涉及一种太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统。

背景技术

目前我国各类太阳能光伏发电的设备生产及运行技术已经技术成熟，并且使用广泛。作为发电系统是极其方便清洁的太阳能使用方式。但是此种太阳能利用系统方式的缺陷是:系统的发电效率随着光伏板的工作温度变化,发电的效率也发生变化，每当工作温度升高1℃，发电效率就会下降0.4％。一般讲在当太阳能光照强度为1kW/m²时，0.8m²的太阳能光伏板在20-25℃工作温度时的发电量约计160W，剩余的太阳能转化为热量存储在光伏板中，致使太阳能光伏板在夏季时的工作温度可达到70℃以上，冬季的工作温度可达到50℃以上。基于以上运行状况可以看出,太阳能光伏板的实际发电效率会产生极大的下降，夏季时工作较正常温度升高了约50℃，其发电效率将下降50*0.4％＝20％；即使在冬季时工作较正常温度升高了约30℃，其发电效率将下降30*0.4％＝12％。可见太阳能光伏发电系统的热量聚集造成工作温度的上升，是影响其发电量的主要矛盾。

目前解决此项难题的主要技术是采用水冷式循环系统，将产生的热量通过冷却水排放到环境中。此种方式可以改善太阳能光伏板的工作温度，提高产电量；同时可以产生热水供热用户使用，使太阳能的单一发电利用方式改变为热/电综合利用方式。但是此种方式的缺陷有两点：其一是必须有热用户的存在，否则提取出的冷却热将不得不直接排放到大气中，尤其是在非采暖季节无热量需求时，造成太阳能的季节性浪费；其二是由于季节的影响，冷却水的温度不可能大幅度降低，如夏季的冷却水降温后的极限值还可能达到40℃，使太阳能光伏板的发电效率还有很大的损失。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统，克服现有技术中太阳能光伏板的工作温度受季节影响发电效率低、太阳能光伏板冷却热资源浪费、的问题。

太阳能光伏发电系统的冷却热热电联产系统分别承担系统供热和热发电的运行功能，在用户需要热水时，系统将自动切断发电循环子系统，全力确保用户供热量；当用户供热量满足或者停止需求时，系统将自动启动热发电系统，实施发电模式运行。不论是在那种模式下运行，本系统始终对太阳能光伏板实施冷却，确保太阳能光伏板的工作温度能够有较大的温度下降，以便确保太阳能光伏发电系统的发电效率的提高。具体的运行技术方案如下：

一种太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统，包括太阳能光伏板，设置于太阳能光伏板下方的太阳能光伏板冷却换热器,太阳能光伏板冷却换热器依次与三通换向阀、工质膨胀机、工质储气罐、工质冷凝器、工质泵、电子膨胀阀形成循环回路，太阳能光伏板冷却换热器上设有工质温度计，工质储气罐中设有热水换热器，热水换热器设有热水温度计，工质温度计、热水温度计和电子膨胀阀分别与主控机连接。

所述热水换热器设有冷水进口和热水出口与用户采暖设备相连，所述冷水进口设有阀门。

所述工质为低沸点有机介质。

所述工质膨胀机连接有发电机。

本发明的有益效果为：本发明提出的利用冷却热实施热发电技术，是一种全年季节可以使用冷却热的方法，其内部的蒸发器的循环热载体为一种低沸点介质。由此可实现循环介质的相变蒸发，可产生较高压力和温度的气态流体。利用此种热/压流体的膨胀特性，可利用膨胀机实现机械能的转换，并带动发电机产生发电效果，实现清洁供电的效果。在需要供热时，可转化循环介质的膨胀过程为换热过程，通过换热能输出热能，实现清洁供热的效果。本项技术可使原有单一发电型功能的太阳能光伏发电系统变更为供热/供电型双功能型系统，增加了全时段全季节使用的效果，可充分利用太阳能资源，同时实现节省矿物能源和保护环境的功效。

本项发明提出的太阳能光伏发电系统的冷却热发电/供热系统，在降低太阳能光电系统工作温度的同时，可继续回收冷却热量用于发电和供热，使原有系统的太阳能利用率获得极大的提高，并可利用时段和季节的影响，达到全年运行的模式，这样设备的年利用率亦将获得极大提高，由此会极大地增加年产能率，使太阳能全年的利用率达到最大化。

附图说明

图1本发明太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统工艺流程图；

其中，1、太阳能光伏板2、太阳能光伏板冷却换热器3、三通换向阀4、工质膨胀机5、发电机6、工质冷凝器7、工质泵8、工质储气罐9、热水换热器10、冷水进口阀门11、热水出口12、主控机13、工质温度计14、热水温度计15、电子膨胀阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统，包括太阳能光伏板1，设置于太阳能光伏板1下方的太阳能光伏板冷却换热器2,太阳能光伏板冷却换热器2依次与三通换向阀3、工质膨胀机4、工质储气罐8、工质冷凝器6、工质泵7、电子膨胀阀15形成循环回路，工质膨胀机4连接有发电机5，太阳能光伏板冷却换热器2上设有工质温度计13，工质储气罐8中设有热水换热器9，热水换热器9设有冷水进口和热水出口11与用户采暖设备相连，所述冷水进口设有阀门10。热水换热器9设有热水温度计14，工质温度计13、热水温度计14和电子膨胀阀15分别与主控机12连接。所述工质为低沸点有机介质。

本发明系统具有三种工作职能，可根据用户的需要进行相应的操作调节。

1.冷却热发电功能：当太阳能光伏板发电工作时，关闭冷水进口阀门10，将三通换向阀3放置在连通太阳能光伏板冷却换热器2和工质膨胀机4的位置上。系统主控机12将根据工质温度计13的上限达标指示信号启动工质泵7，将低温高压液态工质输送到太阳能光伏板冷却器2中，低温高压液态工质在2中大量吸收太阳能光伏板中的热量，沸腾蒸发为气态高压工质，并使其工作温度下降；蒸发出来的高压高温气体经过三通换向阀3进入到工质膨胀机4中，推动工质膨胀机4旋转，同时拖带发电机5运转发电；工质膨胀机4排出的中温低压气体经过工质储气罐8进入到工质冷凝器6中，在环境温度作用下，工质将被冷凝成为低温低压液态，再经过工质泵7提升为低温高压液态，通过电子膨胀阀15输送回到太阳能光伏板冷却换热器2中，电子膨胀阀可根据主机的控制要求，调节工质的流量，由此完成一个循环过程。

2.冷却供热功能：当太阳能光伏板发电工作时，开启冷水进口阀门10，将三通换向阀3放置在连通太阳能光伏板冷却换热器2和工质储气罐8的位置上。系统主控机12将根据工质温度计13的上限达标指示信号启动工质泵7，将低温高压液态工质输送到太阳能光伏板冷却器2中，低温高压液态工质在2中大量吸收太阳能光伏板中的热量，沸腾蒸发为高温高压气态工质，并使其工作温度下降；高温高压气态工质进入工质储气罐8，与其内的热水换热器9进行热交换，将气化潜热及部分显热传递给加热水体使达到热水的温度要求，并通过热水出口11保持向用户供应热水。系统主控机12将根据热水温度计14的上限达标指示，控制冷水进入热水换热器9的流量，确保热水温度的达标；高压气态经过在工质储气罐8中的换热过程，将冷凝或部分冷凝成为液态工质，并进入到冷凝器6中，在环境温度作用下，工质将被继续冷凝成为低温液态，再经过工质泵7提升为低温高压液态，通过电子膨胀阀15输送回到太阳能光伏板冷却换热器2中，电子膨胀阀可根据主机的控制要求，调节工质的流量，由此完成一个循环过程。

3.独立冷却功能：当太阳能光伏板发电工作时，关闭冷水进口阀门10，将三通换向阀3放置在连通太阳能光伏板冷却换热器2和工质储气罐8的位置上。系统主控机12将根据工质温度计13的上限达标指示信号启动工质泵7，将低温高压液态工质输送到太阳能光伏板冷却器2中，低温高压液态工质在2中大量吸收太阳能光伏板中的热量，沸腾蒸发为高温高压气态工质，并使其工作温度下降；高温高压气态工质经过工质储气罐8进入到工质冷凝器6中，在环境温度作用下，工质将被冷凝成为低温低压液态，再经过工质泵7提升为低温高压液态，通过电子膨胀阀15输送回到太阳能光伏板冷却换热器2中，电子膨胀阀可根据主机的控制要求，调节工质的流量，由此完成一个循环过程。

实施例

设某太阳能光伏发电系统在天津地区实施运行，计算条件按标准光伏板0.8m²，标准发电量160wh/h对应的工作温度为20℃，工作温度每升高1℃，光伏发电效率将下降0.4％；每个光伏板的集热量占太阳能总辐射量的70％。无冷却条件下光伏发电系统发电量计算表见表1，冷却条件下光伏发电系统发电量计算表见表2；如果本发明的系统中选用循环工质为R134a，其在夏季、冬季和春秋季的工作温度压力等物性参数表见表3；冷却热发电/供热量计算见表4。

表1：无冷却条件下光伏发电系统发电量计算表

表2：冷却条件下光伏发电系统发电量计算表

表3：发电介质物性参数表

季节	设备类型	工作温度	压力	液体密度	气体密度	液焓	气焓	潜热	容积制冷量
										单位		℃	Mpa	kg/m3	kg/m3	kJ/kg	kJ/kg	kJ/kg	kJ/m3
夏季	冷却换热器	75	2.364	964.1	133.50	313.1	429	115.9	15472.65
											工质冷凝器	35	0.887	1168	43.42	249	417.2	168.2	7303.24
春秋季	冷却换热器	65	1.89	1026	100.40	295.8	427.8	132	13252.80
											工质冷凝器	20	0.5717	1225	27.78	227.5	409.7	182.2	5061.52
冬季	冷却换热器	55	1.492	1078	76.10	279.5	425.2	145.7	11087.77
											工质冷凝器	10	0.4146	1261	20.23	213.6	404.3	190.7	3857.86

表4：冷却热发电/供热量计算

注：增加率＝年热发电量/无冷却条件下实际光伏发电量

计算例题显示，按年值统计，每0.8m²单位光伏发电板在增加冷却条件下，可使太阳能光伏发电量增加：

280-244.78＝35.22kWh/年

发电量增加率为：35.22/244.78*100＝14.4％

按年值统计，每0.8m²单位光伏发电板在增加冷却条件下，可输出1122.8kWh/年的热量；或者可增加44.9kWh/年的热发电量：

额外发电量增加率为：44.9/244.78*100＝18.3％

由此可以得出，每0.8m²单位光伏发电板的综合发电增加量为：

35.22+44.9＝80.12kWh/年

发电量总增加率为：80.12/244.78*100＝32.7％

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种太阳能光伏发电系统的热发电冷却/发电供热系统，其特征在于，包括太阳能光伏板，设置于太阳能光伏板下方的太阳能光伏板冷却换热器,太阳能光伏板冷却换热器依次与三通换向阀、工质膨胀机、工质储气罐、工质冷凝器、工质泵、电子膨胀阀形成循环回路，太阳能光伏板冷却换热器上设有工质温度计，工质储气罐中设有热水换热器，热水换热器设有热水温度计，工质温度计、热水温度计和电子膨胀阀分别与主控机连接。

2.根据权利要求1所述太阳能光伏发电系统的热泵冷却/供热系统，其特征在于，所述热水换热器设有冷水进口和热水出口与用户采暖设备相连，所述冷水进口设有阀门。

3.根据权利要求1所述太阳能光伏发电系统的热泵冷却/供热系统，其特征在于，所述工质为低沸点有机介质。

4.根据权利要求1所述太阳能光伏发电系统的热泵冷却/供热系统，其特征在于，所述工质膨胀机连接有发电机。